蔗渣智能液壓打包機(jī)設(shè)計與試驗

摘 要： 開發(fā)了一款蔗渣智能液壓打包機(jī)（以下簡稱蔗渣打包機(jī)），采用結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性較好的一體化液壓回路系統(tǒng)執(zhí)行打包動作。設(shè)計了基于PLC 的控制系統(tǒng)，以簡化設(shè)備操作，實(shí)現(xiàn)所需的控制功能。系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程控制蔗渣打包機(jī)的啟動、打包、送料、計數(shù)和停止等動作，同時可以單獨(dú)控制蔗渣打包機(jī)各個電氣設(shè)備的啟停。該系統(tǒng)還具備智能打包功能，可顯著改善工作環(huán)境，提高工作效率，降低成本。1 名操作員能夠同時管理3～4 臺設(shè)備，同時遠(yuǎn)程控制功能還可以避免因工人操作設(shè)備而引發(fā)的安全事故。

關(guān)鍵詞：蔗渣；智能控制；液壓回路系統(tǒng)；打包機(jī)；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：S226 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0097-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.016

0 引言

蔗渣是蔗糖生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，占甘蔗質(zhì)量的21%～23%[1-3]。通常情況下，甘蔗經(jīng)過壓榨后的蔗渣主要用于制糖工廠燃料，或者被外運(yùn)到紙漿廠用于造紙原料[4-5]。然而，由于蔗渣呈散料狀，因此需要經(jīng)過緊實(shí)壓包才能方便地進(jìn)行運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移。現(xiàn)有的蔗渣打包設(shè)備通常需要手動控制，操作人員需進(jìn)行繩索固定和打結(jié)，因此自動化水平較低，需要大量人工介入。每臺設(shè)備通常需要2～3 名操作人員，而且蔗渣打包作業(yè)現(xiàn)場通常充滿粉塵，工作環(huán)境惡劣，對操作人員的身體健康構(gòu)成較大威脅[6-7]。隨著工廠現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，需要提高生產(chǎn)制造設(shè)備的自動化程度[8-11]。

基于以上背景，研發(fā)了一種蔗渣智能化打包技術(shù)與設(shè)備，采用液壓機(jī)構(gòu)對蔗渣進(jìn)行壓縮處理，實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)料和包裝。蔗渣智能液壓打包機(jī)（以下簡稱蔗渣打包機(jī)）還具備遠(yuǎn)程控制和計量功能，滿足了現(xiàn)代工廠對自動化程度日益增長的需求。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蔗渣打包機(jī)結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)、進(jìn)料口、壓縮活塞、壓縮活塞傳動機(jī)構(gòu)、出包口和計數(shù)單元等，如圖1所示。

蔗渣打包機(jī)采用智能遙控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，其具備多重特點(diǎn)，包括智能化、高生產(chǎn)效率、結(jié)實(shí)耐用的材料、簡單的結(jié)構(gòu)、易于使用、便于維護(hù)及自動計量功能。

壓縮活塞傳動機(jī)構(gòu)包括電動機(jī)、液壓泵、分油板和液壓缸總成等關(guān)鍵組件，這些部件協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)對蔗渣的高效壓縮和包裝操作[12-13]。

1.2 工作原理

首先啟動開關(guān)以啟動設(shè)備，電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動液壓泵運(yùn)作。液壓泵通過吸油管從油箱中吸取液壓油，并將其供應(yīng)至分油板。分油板中的油液壓力通過溢流閥進(jìn)行調(diào)整，然后油液進(jìn)入電磁換向閥，最終流向液壓缸。

在液壓缸總成的后缸座處，油液進(jìn)入液壓缸的后端，推動活塞前進(jìn)，將蔗渣壓實(shí)并打包。隨后，前端液壓缸的油液通過前缸座流回分油板，經(jīng)過大蓄能器和小蓄能器，再通過電液換向閥返回分油板，最后通過冷卻器冷卻后流回油箱。

蔗渣通過進(jìn)料口進(jìn)入設(shè)備，并由控制系統(tǒng)控制傳動機(jī)構(gòu)開啟。在遠(yuǎn)程調(diào)壓閥和壓力表的監(jiān)控下，壓縮活塞進(jìn)行打包操作。打包完成后，壓縮活塞沿著指定軌跡迅速回到原位，準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪的打包。完成打包的蔗渣包從出包口排出，并由計數(shù)器自動計量，實(shí)現(xiàn)了高效的蔗渣打包操作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 機(jī)架

機(jī)架是蔗渣打包機(jī)的重要組成部件，在蔗渣壓縮時充當(dāng)壓縮腔，由底座、底板、邊板和上蓋板組成。因蔗渣壓縮打包時底板會受到較大的壓力，為了保證設(shè)備工作的可靠性，底板厚12 mm，底板與底座焊接在一起，底座四周采用四條25#槽鋼焊接，底板中間采用4 條15#方管作為加強(qiáng)筋與底座焊接在一起。機(jī)架上方設(shè)計有尺寸550 mm×400 mm 的進(jìn)料口，進(jìn)料口采用厚10 mm 的鋼板焊接。邊板尺寸長1 330 mm、寬180 mm、厚12 mm，邊板中間采用20 mm 鋼板作為加強(qiáng)筋焊接加強(qiáng)[14]。

2.2 壓縮活塞

壓縮活塞是蔗渣打包機(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計直接決定了蔗渣的打包質(zhì)量，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。壓縮活塞的擋板與機(jī)架內(nèi)腔尺寸配合， 因此， 擋板尺寸長400 mm、寬400 mm、厚20 mm。因壓縮作業(yè)時擋板受到的壓力較大，在擋板左右兩側(cè)焊接長400 mm、寬350 mm、厚15 mm 的鋼板作為支架。因機(jī)架上方有550 mm×400 mm 的進(jìn)料口，壓縮過程中需要擋住進(jìn)料口上方的蔗渣，擋板上方需要設(shè)計上板，上板尺寸750 mm×400 mm。

壓縮活塞需要液壓缸推動進(jìn)行壓縮作業(yè)，為了更好承受反復(fù)突然加載的力，壓縮活塞一側(cè)設(shè)計了與液壓缸連接的連接耳，通過銷軸連接。為了提高連接耳的強(qiáng)度和可靠性，采用厚20 mm 的Q235 作為制造材料[14]。

2.3 液壓系統(tǒng)

2.3.1 液壓缸選型

對液壓系統(tǒng)中的液壓缸進(jìn)行設(shè)計選型，參考機(jī)械設(shè)計手冊和液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊，選定液壓缸工作壓力P1=20 MPa，計算壓縮過程中所需最大壓力F 約200 kN[15-16]。活塞直徑計算公式為

式中 D——活塞直徑（或缸筒內(nèi)徑），mm

F——液壓缸推力，N

Pcm——液壓缸機(jī)械效率，取0.95

P1——液壓缸工作壓力，取20 MPa

P2——回油路背壓，取0 MPa

Φ——桿徑比，取0.7

由式（1）可計算液壓缸缸徑，并通過查液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊[16]，得到優(yōu)先選用內(nèi)徑125 mm 的液壓缸，則求得活塞桿直徑d = 0.7D = 90 mm。液壓缸參數(shù)如表1 所示。

2.3.2 液壓泵選型

（1）泵工作壓力確定。液壓泵的最大工作壓力Pp 為

Pp ? P1 +∑△ P （2）

式中 Pp——執(zhí)行元件最高工作壓力

ΣΔP——執(zhí)行元件進(jìn)油路上壓力損失，取1 MPa

計算得出液壓泵最大工作壓力Pp=21 MPa，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行時，選取泵最終額定壓力PP= 25 MPa。

（2）泵流量確定。液壓泵最大流量為

qp ? KΣqmax （3）

式中 Σqmax——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值

K——泄露系數(shù)，取1.2

計算得出液壓泵最大流量qp=47.8 L/min。

根據(jù)以上求得Pp 和qp 值，從手冊中選擇液壓泵，選用高壓大流量的SCY14-1B 型柱塞泵[16]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

本研究設(shè)計了一套遙控開關(guān)方案，遙控系統(tǒng)由發(fā)送主控端和接收受控端兩部分組成。受控裝置包括無線接收模塊、電源模塊、繼電器驅(qū)動模塊、單片機(jī)控制模塊和RS485 通信模塊。主控裝置則包括單片機(jī)控制模塊、無線發(fā)送模塊、按鍵輸入模塊、RS485 通信模塊、LED 指示模塊和電源模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電路供電采用變壓器，以確保性能穩(wěn)定且具備強(qiáng)大的抗干擾能力。此外，系統(tǒng)還采用高效的拉桿天線，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號接收[17]。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

打包機(jī)自動控制采用PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在PLC 控制系統(tǒng)中，繼電器以周期性循環(huán)方式連接，其連接時間非常短暫，具備出色的計數(shù)功能。PLC 結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)控制功能，PLC 作為整個控制系統(tǒng)的核心，通過遙控開關(guān)、按鈕、傳感器和限位開關(guān)等直接連接到PLC 的輸入端。PLC 的輸出端直接連接到主要的控制信號、指示信號、報警信號及各種控制器件。在操作過程中，各種控制邏輯和時間控制均在PLC 內(nèi)部通過編程來實(shí)現(xiàn)[14]。

4 試驗結(jié)果與分析

生產(chǎn)性能試驗如圖5 所示，經(jīng)檢驗測試，蔗渣打包機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)測定結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，蔗渣打包機(jī)生產(chǎn)效率和打包合格率較高，較好地滿足了蔗渣打包的質(zhì)量要求。

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有蔗渣打包設(shè)備存在的自動化水平低、人工成本高及操作員健康受影響等問題，研發(fā)了一種蔗渣智能液壓打包機(jī)，采用自動化控制系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程控制功能。壓縮松散的蔗渣體積，有利于堆放貯存和運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)流水線工作。

（1）通過優(yōu)化機(jī)架結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)壓縮活塞設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性提升，從而提高了蔗渣打包效率和操作效果。

（2）提出了一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)，提高了設(shè)備的靈活性、便捷性和工作效率。

（3）蔗渣打包機(jī)自動化程度較高，有效減少人工介入和提高操作效率，具有成本低和操作簡易的優(yōu)勢，符合現(xiàn)代工業(yè)制造設(shè)備自動化發(fā)展趨勢。

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